基于控制模式平滑切换的离网直流变压器无扰并网策略

2021-05-18张伟明许加柱童国庆

电力自动化设备 2021年5期

张伟明，许加柱，陈庆，童国庆，伍敏

（1. 湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2. 国网江苏省电力有限公司，江苏南京210000）

0 引言

直流微电网的电压等级较低［1］，一般通过直流变压器（DCT）连接中压直流配电网［2］。直流微电网既可以并网运行，也可以孤岛运行［3］，两者切换的实质是DCT 的并、离网操作。由于中压直流配电网和低压直流微电网之间存在的电压等级差及功率不平衡问题，并网瞬间必然会产生扰动，如产生电压跌落、电压波动和冲击电流等［4-6］，严重的并网扰动会降低直流配电系统的电能质量并且影响系统正常运行。尤其是在配电网故障检修完成后进行并网恢复时，并网扰动还可能诱发系统二次故障、继电保护误动作等问题。在分布式电源扩建或故障恢复时，同样存在无扰并网的技术难题。

AC／DC 换流器无扰并网策略主要分为单模式并网型［7-9］和多模式切换并网型［10-12］。单模式并网型策略指换流器通过交直流系统混合充电，并网后功率控制解锁换流器，换流站只工作在一种控制模式下，扰动抑制方法主要在于充电策略的改进；多模式切换并网型策略与单模式并网型策略的区别在于换流站工作在多种控制模式下，并网扰动还包括模式切换所产生的扰动。上述研究主要基于多端柔性直流输电工程开展，且并网对象均为AC／DC换流器。

国内外关于DCT 无扰并网策略的研究相对较少，主要针对DCT 的软启动［13-14］和运行模式切换［15-16］进行研究。DCT 软启动策略主要采用单移相［13-14］、双移相［17-18］以及三移相软启动［19］，单移相软启动策略是指同一时间只存在桥内移相角或桥间移相角，启动过程分阶段完成；双移相软启动策略是指单个H 桥的内移相角在[0，π]范围内递增，外移相角同速率递增的方法；三移相软启动策略是在双移相的基础上再增加另一个H桥的内移相角。软启动只研究如何抑制DCT 的启动电流，尚未考虑并网后DCT 与系统的协调运行。DCT 控制模式平滑切换的目的为抑制功率突变或移相角跳变［15-16］，但关于DCT中压控制和低压控制策略之间的切换并未给出具体方法，且以DCT 为主换流站作为研究出发点。而在直流配电网中DCT 一般为从站，DCT 并网不仅需要考虑自身的模式切换，还需要与主网、微电网和分布式电源的控制策略相协调。

针对中／低压直流配电网中离网直流微电网经DCT并网产生扰动的问题，以苏州中／低压直流配电网拓扑为研究对象，建立低压直流微电网并网仿真模型。提出基于控制模式平滑切换的离网DCT 无扰并网策略，考虑低压直流微电网和独立的光储系统经DCT 并网的2 种情形，并分别考虑并网点设置在中压侧和低压侧的2 种工况。提出DCT 控制模式平滑切换策略和光储系统控制模式平滑切换策略，分析从DCT软启动到控制模式切换的并网全过程。

1 中／低压直流配电网拓扑及控制

1.1 中／低压直流配电网正常运行分析

两端型中／低压直流配电网的拓扑见附录A 图A1。中压直流配电网采用主从控制，模块化多电平换流站1（MMC1）作为主站，运行于直流电压控制模式；模块化多电平换流站2（MMC2）作为从站，运行于功率控制模式。光伏电池1（PV1）、蓄电池以及负载组成直流微电网，微电网母线电压为±375 V，通过DCT 连接到±10 kV 的直流主网母线。PV1接口换流器采用最大功率点跟踪（MPPT）控制；蓄电池通过双向非隔离型DC／DC 实现低压母线的电压控制；DCT 运行于功率控制模式，实现主网与微电网间的潮流互动。光伏电池2（PV2）与蓄电池构成光储系统，通过DCT 接入±10 kV 母线，前级Boost 电路采用MPPT控制，后级DCT采用低电压控制。

1.2 双主动全桥拓扑及控制策略

DCT 采用n个双主动全桥（DAB）单元输入串联输出并联组成，以减小电力电子器件的电流应力，其拓扑结构如图1 所示。每个DAB 由双H 桥、高频变压器T、辅助电感L、稳压电容Ci1和Co1构成。图中MV+、MV-和LV+、LV-分别表示中压正、负极母线和低压正、负极母线。

图1 DCT拓扑结构图Fig.1 Topology structure diagram of DCT

图2 DCT控制框图Fig.2 Control block diagram of DCT

2 DCT并网扰动机理分析

2.1 DCT启动的扰动

DCT 启动扰动形成的实质为电容的充电。DCT直接并网等同于母线电压直接加至电容C两端，由iC=CduC/dt（iC、uC分别为充电电流、电容电压）可知，DCT 并网瞬间存在很大的冲击电流。闭锁状态的DCT 并网等效电路为典型二阶RLC 零状态响应电路，求解可得：

其中，uab、ucd为DAB 两侧桥臂间电压；ϕ为移相角；ω=2πf为角频率，f为高频变压器的额定工作频率。启动瞬间ucd=0，即iL=uab/(jωL)。

2.2 DAB控制模式切换的扰动

DCT 的并网过程重点考虑控制模式的切换。DAB 采用单移相控制，工作波形见附录A 图A2。若忽略变压器电阻，根据基尔霍夫电流定律和电感能量守恒可得DAB输出功率［16］为：

其中，d=ϕ/π 为占空比；Ts为H 桥开关周期；fs为开关频率。

当低压控制和功率控制模式稳态运行时，UMV、ULV、fs基本不变，由式（3）可知DAB控制模式切换瞬间产生扰动的本质原因是控制器输出的移相角变化。当从低电压控制切换为功率控制时，若电流环给定的额定电流与电压环输出的电流参考值不一致，则电流环再次调节，输出移相角变化。

中压控制与低压控制之间的切换要求配合中压直流配电网和低压直流微电网的控制模式，避免出现母线电压长时间同时受控于主站MMC 和DCT 的情况。这种切换产生的扰动通常比较大，这一方面是因为控制器的输入量发生变化，另一方面是由于内外环PI 控制器均要再次调节。在空载工况下，移相角为ϕ0，DAB 虽然只传输损耗功率，但中／低压控制切换会导致功率反向，控制器输出移相角理论上从ϕ0变为-ϕ0，但在PI 闭环控制下也可能从ϕ0变为ϕ0+π，该变化过程会引起并网扰动。

在附录A 图A2 中，同一功率存在2 个移相角ϕa、ϕb（ϕb∈[π/2，π]）与之对应。t2-t1、t5-t3越大，电感充放电时间越长，变压器一次、二次侧电压非标准方波部分越多，导致DAB输出的电压纹波较大。

2.3 光储系统控制模式切换的扰动

光储系统或低压直流微电网的并网过程不仅考虑将其直接接入直流电网，还需考虑并网后整个系统协调能力的恢复。光储系统并网前采用电压控制，并网后采用MPPT 控制，2 种控制下光伏输出功率不一定相等，若直接进行控制模式切换，可能导致母线电压波动。

当光储系统采用电压控制时，蓄电池处于恒压充电状态，忽略Boost电路的损耗，在离网状态下，光伏电池输出功率等于蓄电池的充电功率，因为光伏电池的电流和电压相互耦合，难以直接求得某一时刻光伏电池的输出功率。同时，考虑到蓄电池电压恒定，只要求得充电电流即可得到充电功率，即光伏电池输出功率。蓄电池的数学模型如式（4）所示［20］。

其中，E0为内电动势；K为极化电压；Qbat为额定容量；A为指数区的电压暂降；B为指数区容量的倒数；R为内阻。令蓄电池电压Vbat=750 V，t取并网时间点，求解关于i(t)的微分方程即可计算出蓄电池t时刻的充电功率，即Pbat(t)=i(t)Vbat。

由光伏电池的功率特性曲线得到光伏电池的功率PPV，进一步可得光储系统由电压控制切换至MPPT控制的功率差值为ΔP=PPV-Pbat。

3 DCT无扰并网控制策略

3.1 扰动抑制方法

3.1.1 DAB软启动策略

DAB 软启动是对电容限流充电的过程，具体方法为：输入端电容外接限流电路；输出端电容充电采用占空比与电压控制协调的软启动策略［18］。

输出端的电容电流抑制可转化为抑制电感电流。半个周期内电感电流增量表达式为：

为了避免控制器出现过大的超调量，DAB 的输出电压参考值按函数u′cd(t)=tU′LV缓慢上升，U′LV为低压侧折算电压，上升时间tup≫Ts，故在[t，t+Ts/2]内可以认为u′cd近似不变。由式（6）求得：

式（7）说明了占空比与输出电压协调控制的原理：当d=t，即内移相角变化与给定斜波电压变化一致时，可实现ΔiL=0。软启动控制结构见附录A图A3。

3.1.2 DCT控制模式平滑切换策略

DCT实现控制模式平滑切换的关键是避免移相角跳变。由图2 所示DCT 控制框图可知电压控制器与功率控制有相同的电流环。当电压控制切换为功率控制时，在保持电流参考值不变的条件下共用电流内环，则PI 调节器无需重新调节，避免移相角跳变。

中压控制器与低压控制器采样的电气量不同，因此外环并用、内环共用的方法并不适合这2 种控制模式的切换。将光伏电池和直流微电网看作DCT的电源，则离网DCT 再次并网前后瞬间都是运行在空载工况，电流内环参考值近似为0，这也说明空载并网可以避免电流内环的再次大幅度调节。同时，为避免移相角从ϕ0缓慢变为ϕ0+π 的过程，中压和低压控制模式切换后，给定补偿移相角π，同时，考虑到减少输出电压纹波，即要求ϕ∈(-π/2，π/2)。相同移相角下的低压控制和高压控制的开关信号波形如图3所示。

图3 中／低电压控制的脉冲信号波形Fig.3 Pulse signal waveform of medium- and low-voltage control

空载工况下切换中／低电压控制模式，DCT 内部电流方向改变，由图3 可知交换两端H 桥的脉冲信号可使移相角在区间（-π/2，π/2）内，且等价于补偿移相角π。

3.1.3 光储系统控制模式平滑切换策略

光储系统控制模式平滑切换策略如图4 所示。图中，UPV和IPV分别为光伏电池的电压和电流；d0为MPPT 控制的初始占空比；U∗PV为UPV的参考值。电压控制与功率控制的切换采用“内环共用”的平滑策略，再通过电流内环提升功率至MPPT 控制的初始设定值。功率控制只是替代了MPPT 控制从小功率开始调节的过程，两者切换并不会产生明显的扰动。此外，为避免计算电压控制的光伏电流值，采用PI自闭环结构电流保持器维持运行模式切换瞬间的光伏电流值。

图4 光储系统控制模式平滑切换策略结构图Fig.4 Structure diagram of smooth switching strategy of PV and battery system control mode

3.2 直流微电网经DCT无扰并网策略

无源状态的DCT 根据启动电源的不同，可以将中压或低压母线设置为DCT 的并网点，2 种情形的无扰并网策略大同小异。初始状态下中压直流配电网及孤岛下的低压直流微电网正常运行，且离网DCT闭锁。直流微电网经DCT无扰并网策略流程图如附录A 图A4 所示。下面具体给出并网点分别设置在中压侧和低压侧的DCT 无扰并网策略的步骤：①DCT 若以低压直流微电网作为启动电源，则闭合低压侧直流断路器，反之，闭合中压侧直流开关；②待DCT 输入端电容限流充电完成后，短路限流电阻，采用占空比与电压控制协调策略完成软启动；③待DCT 输出电压稳定后，若启动电源为低压系统，则闭合中压直流断路器，反之，闭合低压直流断路器；④DCT 由中／低电压控制模式切换为功率控制模式，功率按斜坡函数上升。

在DCT 并网的全过程中，为保护正常运行的系统需要时刻监视并网点电压及电流的变化，一旦并网后出现冲击电流或母线电压严重波动的问题，应立即断开DCT 中、低压侧的断路器。值得注意的是低压直流微电网母线电压始终由蓄电池采用电压控制维持。若微电网母线电压并网后由DCT 维持，则要求蓄电池并网时将电压控制切换为恒流充、放电控制，该情景下DCT 一旦并网失败，蓄电池的控制模式又要切换回电压控制，这势必影响直流微电网的正常运行。

3.3 光储系统经DCT无扰并网策略

光储系统与直流微电网的情形相同，DCT 的并网点可设置于中压或低压母线，但这2 种情形下的无扰并网策略因光伏电池的并网前、后控制模式切换而不尽相同。并网点分别设置在中压和低压侧的DCT无扰并网策略流程如附录A图A5所示。

3.3.1 光储系统经DCT中压侧无扰并网策略

设初始状态为中压直流配电网稳定运行以及离网DCT 闭锁。下面具体给出并网点分别设置在中压和低压侧的DCT 无扰并网策略：①光储系统采用直流电压控制，建立稳定的750 V 电压；②闭合低压直流断路器，投入限流电阻对低压侧电容充电；③待直流电容充电完成后，采用占空比与低压控制协调策略软启动DCT；④待DCT 稳定输出10 kV 电压后，闭合中压直流断路器；⑤DCT 控制模式切换为低电压控制，交换H 桥触发脉冲，同时，光储系统由输出电压控制切换为功率控制，将PI 自闭环跟踪器输出作为光伏电池电流参考值，并保持到750 V 电压稳定；⑥待DCT 可靠控制750 V 电压后，缓慢提升光伏电池电流参考值；⑦待光伏电池电流IPV=IMPP（IMPP为MPPT 控制跟踪的电流值）时，光储系统控制模式切换为MPPT控制。

3.3.2 光储系统经DCT低压侧无扰并网策略

光储系统经DCT 低压侧无扰并网的初始条件与其经DCT 中压侧并网时相同，下面说明其余步骤：①与光储系统经DCT 中压侧并网时的启动环节相同；②闭合DCT 中压直流断路器，投入限流电阻对中压侧电容充电；③待电容完成充电，采用占空比与中压控制协调软启动DCT；④待DCT 稳定输出750 V 电压，闭合低压直流断路器；⑤完成合闸操作后，光储系统切换功率控制，电流参考值由电压外环断开瞬间的输出值缓慢上升为IMPP；⑥与3.3.1 节光储系统经DCT中压侧无扰并网的步骤⑦相同。

4 DCT无扰并网控制策略仿真

为验证本文所提的DCT 无扰并网策略的有效性，以附录A 图A1所示中／低压直流配电网进行仿真，仿真模型见附录A 图A6。控制参数、变流器及系统容量参数分别见附录B表B1—B3，并与传统并网方法进行比较，直流微电网及光伏经DCT 的传统并网策略分别见附录C图C1、C2。

4.1 直流微电网经DCT 中／低压侧无扰并网策略仿真

设直流微电网经DCT 中压侧和低压侧并网2 种场景，并设置传统并网策略和基于控制模式平滑切换的并网策略2 种工况。重点分析直流微电网经DCT 中压侧无扰并网策略仿真，直流微电网经DCT低压侧无扰并网策略仿真分析见附录D。

根据附录A 图A4 所示直流微电网经DCT 中压侧无扰并网策略进行仿真，具体时序如下：①t0=0，闭锁DCT；②t1=0.5 s，闭合低压侧直流隔离开关组DCDS3和DCDS4；③t2=1.2 s，闭合低压侧直流断路器DCCB3和DCCB4，同时解锁DCT，进行软启动；④t3=2.4 s，闭合中压侧直流断路器DCCB1和DCCB2，同时DCT 运行模式切换为功率控制，中压侧电流给定斜率上升至50 A。

图5（a）为直流微电网经DCT 中压侧并网时传统并网策略和本文所提并网策略的中／低压直流母线电压波形。在［0.5，0.8］s 时，DCT 低压侧电容限流充电，2 种策略下ULV均出现约为17 V 的电压暂降。在1.2 s 时，传统策略下DCT 采用电压斜率启动，在启动瞬间，ULV出现最大降幅为13 V 的跌落，而本文方法能够抑制启动瞬间的电压扰动。在（1.2，2.2）s 时，UMV按指令上升到20 kV。在［2.2，2.4）s 时，在DCT 的2 种并网策略下ULV均出现最大增幅为6 V 的电压暂升，此时DCT 启动采用电压电流双环控制结构，电压上升过程中电压一直处于响应阶段，电流参考信号在外环的积分作用下持续增大，当电压达到稳定值后，电压外环快速调节至稳态，电流参考信号瞬间跌落到稳态值，电压直流微电网输出功率降低，母线电压上升。在2.4 s 时，传统策略采用额外的电流控制器，UMV出现约为50 V 的电压波动，本文策略采用“内环共用”方法，避免了DCT 运行模式切换时电流环的再次调节，确保UMV稳定。在（2.4，2.9］s 时，中压配电网注入有功，ULV出现约为15 V的电压暂降，随后迅速恢复到750 V。

图5 直流微电网经DCT中压侧并网的中／低压侧直流母线电压、电流波形Fig.5 Voltage and current waveforms of medium- and low-voltage DC bus when DC microgrid is in connection with DCT medium-voltage side

图5（b）为直流微电网经DCT 中压侧并网时传统并网策略和本文所提并网策略的中／低压直流母线电流波形。在0.5 s 时，DCT 低压侧电容充电电流峰值约为180 A；在1.2 s时，传统策略下的ILV在DCT启动瞬间出现约为140 A 的冲击；在2.2 s 时，2 种策略下的ILV均出现跌落，与图5（a）所示电压暂升相对应；在2.4 s 时，传统策略下的IMV和ILV均发生跌落，而采用本文策略时两侧电流均平滑过渡。

4.2 光储系统经DCT中／低压侧无扰并网策略仿真

同样设光储系统经DCT 中压侧和低压侧并网2种场景，并设传统并网策略和基于控制模式平滑切换的并网策略2 种工况。重点分析光储系统经DCT中压侧无扰并网策略仿真，光储系统经DCT 低压侧无扰并网策略仿真分析见附录E。

根据附录A 图A5 的光储系统经DCT 中压侧无扰并网策略进行仿真，具体时序如下：①t0=0，闭锁DCT；②t1=0.5 s，闭合DCT 低压侧直流隔离开关组DCDS7和DCDS8；③t2=1.1 s，闭合DCT 低压侧直流断路器DCCB7和DCCB8，解锁DCT 的中压控制；④t3=2.4 s，闭合DCT 中压侧直流断路器DCCB5和DCCB6，DCT 由中压控制切换为低压控制，光储系统由电压控制切换为功率控制，电流跟踪器赋初始值给功率控制器，功率的斜率上升至1 MW；⑤t4=2.95 s，光储系统由功率控制切换至MPPT控制。

图6（a）为光储系统经DCT 低压侧并网时传统并网策略和本文所提并网策略的中／低压直流母线电压波形图。在0.5～2.4 s 时，UMV和ULV的变化趋势与直流微电网并网时一致。在2.4 s 时，传统策略下的ULV瞬间跌落到720 V，并由于控制器的调节而发生波动，且UMV出现1000 V电压跌落，并由于线路的平波电抗器和DCT 的稳压电容而发生欠阻尼振荡；相较之下，本文采用DAB 平滑切换控制，在2.4 s 时低压母线电压未出现明显波动。在2.95 s 时，传统策略下的光伏接口换流器由电压控制直接切换为MPPT 控制，ULV跃变为775 V；而本文采用光伏平滑切换控制，ULV随着电流指令的缓慢上升而上升。在2.95 s 时，本文策略下光储系统的电流控制切换为MPPT 控制，ULV快速调节为光伏最大功率输出时的稳态电压值，该值不为额定750 V 的原因是DCT 低压侧端口电压由DCT 控制稳定在750 V，此时光伏向DCT 传输功率，线路阻抗的存在导致光伏电池接口换流器的输出电压等于750 V 加上线路压降。在3.4～3.6 s时，由局部放大图可以看出，传统策略下的UMV比本文采用的控制切换加换序策略下的UMV要大2倍以上。

图6 光储系统经DCT中压侧并网的中／低压侧直流母线电压、电流波形Fig.6 Voltage and current waveforms of medium- and low-voltage DC bus when PV and battery system is in connection with DCT medium-voltage side

图6（b）为光储系统经DCT 中压侧并网时传统并网策略和本文所提并网策略的中／低压直流母线电流波形图。在1.1 s 时，传统方法下ILV出现约为200 A的电流冲击，占空比与电压控制协调的软启动策略下ILV未出现冲击电流。在2.4 s时，传统策略下IMV和ILV均出现电流跃变，而本文策略下ILV未出现明显扰动，IMV出现幅值为1.5 A 的波动，证明了DAB平滑切换策略的有效性。在2.95 s时，传统策略下IMV和ILV均出现波动，而本文策略下IMV和ILV几乎没有出现波动，证明了光伏电池平滑切换策略的有效性。